Металлический водород

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Газовые гиганты (например, Юпитер) могут содержать большие запасы металлического водорода (серый слой)

Металли́ческий водоро́д — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при крайне высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Предсказан теоретически и пока не получен в земных лабораторных условиях.

История исследований[править | править вики-текст]

В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа или 250 тысяч атмосфер) и потерю валентного электрона ядром[1]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведётся теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к возможным эпизодам водорода в 1996, 2008 и 2011 году, однако, имеются сомнения в достоверности получения металлического водорода.

Теоретические свойства[править | править вики-текст]

Переход в металлическую фазу[править | править вики-текст]

При увеличении внешнего давления до десятков ГПа коллектив атомов водорода начинает проявлять металлические свойства. Ядра водорода (протоны) сближаются друг к другу существенно ближе боровского радиуса, на расстояние, сравнимое с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны слабо связуются с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород[править | править вики-текст]

Жидкая фаза металлического водорода отличается от твердой фазы отсутствием дальнего порядка. Имеется дискуссия о допустимом диапазоне существования жидкого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при температуре ниже 2.17 K и нормальном давлении благодаря нулевой энергии нулевых колебаний, массив плотно упакованных протонов обладает значительной энергией нулевых колебаний. Соответственно, переход от кристаллической фазы к неупорядоченной ожидается при еще более высоких давлениях. Исследование, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область жидкого металлического водорода при давлении около 400 ГПа и низких температурах[2][3]. В других работах Е. Бабаев предполагает, что металлический водород может представлять собой металлическую сверхтекучую жидкость.[4][5]

Сверхпроводимость[править | править вики-текст]

В 1968 году было показано, что металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что значительно выше, чем для других сверхпроводящих материалов.[6]

Экспериментальные попытки получения[править | править вики-текст]

Металлизация водорода ударным сжатием в 1996 году[править | править вики-текст]

В 1996 году Ливерморская национальная лаборатория сообщила, что в ходе исследований были созданы условия для металлизации водорода и получены первые свидетельства его возможного существования[7]. Кратковременно (около 1 мс) было достигнуто давление более 100 ГПа (10^6 атм.), температура порядка тысяч градусов Кельвина при плотности вещества около 0.6 кг/м-3[8]. Поскольку предыдущие опыты по сжатию твердого водорода в алмазных тисках до 250 ГПа не дали результата, целью эксперимента не было получение металлического водорода, но только изучение проводимости образца под давлением. Однако, по достижении 140 ГПа электрическое сопротивление практически исчезло. Ширина запрещенной зоны водорода под давлением составила 0.3 эВ, что оказалось сравнимо с тепловой энергией kT, соответствующей 3000 К и что свидетельствует о переходе «полупроводник — металл».

Исследования после 1996 года[править | править вики-текст]

Продолжались попытки перевести водород в металлическое состояние статическим сдавливанием при низких температурах. А. Руофф и Ч. Нараяна (Корнелльский университет, 1998)[9], П. Лоувьер и Р. Летуле (2002) последовательно приближались к давлениям, наблюдаемым в центре Земли (324-345 ГПа), но все же не наблюдали фазового перехода.

Эксперименты 2008 года[править | править вики-текст]

Теоретически предсказанный максимум кривой плавления на фазовой диаграмме, указывающий на жидкую металлическую фазу водорода, был экспериментально обнаружен Ш. Деемьяд и И. Сильвера[10]. Группа М. Ереметца заявила о переходе силана в металлическое состояние и проявление сверхпроводимости [11], но результаты не были повторены.[12][13]

Эксперименты 2011 года[править | править вики-текст]

В 2011 году было сообщено о наблюдении жидкой металлической фазы водорода и дейтерия при статическом давлении 260-300 ГПа. [14], что вновь вызвало вопросы в научном сообществе.[15]


Связь с другими областями физики[править | править вики-текст]

Астрофизика[править | править вики-текст]

Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планетах. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. По некоторым гипотезам, приближение ядра к поверхности Юпитера отвечает за проявления сильнейшего магнитного поля планеты[источник не указан 52 дня].

Потенциальное применение[править | править вики-текст]

Топливные элементы[править | править вики-текст]

Метастабильные соединения металлического водорода перспективны как компактное, эффективное и чистое топливо. При переходе металлического водорода в обычную молекулярную фазу высвобождается до 20 крат энергии при сжигании этого количества водорода в кислороде[16].

Интересные факты[править | править вики-текст]

Металлический водород неоднократно упоминается в советском фильме Расписание на послезавтра (1979), действие которого происходит в физико-математической спецшколе.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. — 1935. — Т. 3. — № 12. — С. 764. — DOI:10.1063/1.1749590
  2. Ashcroft N. W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2000. — Т. 12. — № 8A. — С. A129. — DOI:10.1088/0953-8984/12/8A/314
  3. Bonev S.A., et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. — 2004. — Т. 431. — № 7009. — С. 669. — DOI:10.1038/nature02968 — arΧivcond-mat/0410425
  4. Babaev E., Ashcroft N. W. Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors (англ.) // Nature Physics. — 2007. — Т. 3. — № 8. — С. 530. — DOI:doi:10.1038/nphys646 — arΧiv0706.2411
  5. Babaev E., Sudbø A., Ashcroft N. W. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) // Nature. — 2004. — Т. 431. — № 7009. — С. 666. — DOI:10.1038/nature02910 — arΧivcond-mat/0410408
  6. Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? (англ.) // Physical Review Letters. — 1968. — Т. 21. — № 26. — С. 1748. — DOI:doi:10.1103/PhysRevLett.21.1748
  7. Weir S. T., Mitchell A. C., Nellis W. J. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (англ.) // Physical Review Letters. — 2004. — Т. 76. — № 11. — С. 1860. — DOI::10.1103/PhysRevLett.76.1860
  8. Nellis, W.J. Metastable Metallic Hydrogen Glass. Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360 (2001). — «minimum electrical conductivity of a metal at 140 GPa, 0.6 g/cm3, and 3000 K»
  9. Ruoff A. L., et al. Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal (англ.) // Nature. — 1998. — Т. 393. — № 6680. — С. 46. — DOI:10.1038/29949
  10. Deemyad S., Silvera I. F. The melting line of hydrogen at high pressures (англ.) // Physical Review Letters. — 2008. — Т. 100. — № 15. — DOI:10.1103/PhysRevLett.100.155701 — arΧiv0803.2321
  11. Eremets M. I., et al. Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane (англ.) // Science. — 2008. — Т. 319. — № 5869. — С. 1506–9. — DOI:10.1126/science.1153282
  12. Degtyareva O. Formation of transition metal hydrides at high pressures (англ.) // Solid State Communications. — 2009. — Т. 149. — № 39-40. — DOI:10.1016/j.ssc.2009.07.022 — arΧiv0907.2128v1
  13. Hanfland M., Proctor J., Guillaume C. L., et al. High-Pressure Synthesis, Amorphization, and Decomposition of Silane (англ.) // Physical Review Letters. — 2011. — Т. 106. — № 9. — DOI:10.1103/PhysRevLett.106.095503
  14. Eremets M. I., Troyan I. A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials. — 2011. — № 10. — С. 927–931. — DOI:10.1038/nmat3175
  15. Nellis W. J., Ruoff A., Silvera I. F. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (англ.) // arxiv.org. — 2012. — arΧivhttp://arxiv.org/abs/1201.0407
  16. Silvera, Isaac F. Metallic Hydrogen: A Game Changing Rocket Propellant. NIAC SPRING SYMPOSIUM (27 марта 2012). — «Recombination of hydrogen atoms releases 216 MJ/kg Hydrogen/Oxygen combustion in the Shuttle releases 10 MJ/kg ... density about 12-13 fold»  Проверено 13 мая 2012.